1 Intermediární metabolizmus a energetická homeostáza Biologické oxidace Dýchací řetězec a oxidativní fosforylace Krebsův cyklus Přehled intermediárního metabolizmu studuje změny energie provázející chemické reakce vysvětluje proč některé reakce mohou probíhat spontánně a jiné ne živé organizmy (homotermní) nemohou pro zajišťování biologických procesů využívat tepelnou energii z vnějšku, ale je nutná chemická energie volná energie ( G = Gibbsova) zdroji chemické energie jsou potrava (~problematika výživy) tělesné zásoby (~problematika obezity, anorexie, malnutrice) a získává se z nich metabolizmem, tj. oxidací, sacharidů, tuků a AK proteinů (~problematika poruch metabolizmu a endokrinologie) biologické systémy podléhají obecným zákonům termodynamiky (1) celk. energie systému zůstává konstantní (= zákon zachování energie) uvnitř systému se energie nemůže ztratit ani vytvořit, může však být přenesena z jedné formy na jinou (např. změna chemické energie v teplo, světlo, elektrickou či mechanickou energii) (2) při samovolných procesech roste celk. entropie systému entropie = míra neuspořádanosti systému 2 chemické reakce z hlediska změny volné energie: exergonické = reakce probíhá samovolně za uvolnění energie ( G záporné) = katabolická endergonické = reakce probíhá jen při dodání energie ( G kladné) = anabolická endergonické procesy probíhají spřaženy s procesy exergonickými!! běžné endergonické procesy v živých organizmech, jako např. svalová kontrakce syntéza látek vedení nervového vzruchu aktivní transport jsou umožněny jedině díky spřažení s exergonickými (katabolickými, oxidačními) reakcemi souhrn katabolických a anabolických reakcí = METABOLISMUS 3 běžné a výhodné je spřažení exo- a endergonických (tj. kata- a anabolických) reakcí syntézou látky s vysokým obsahem energie (~ E ), která nemá strukturní vztah k A, B, C ani D (viz předchozí obr.) hl. vysokoenergetickým přenašečem v buňkách je adenosintrifosfát (ATP) další biologicky významné vysokoenergetické fosfáty jsou kreatinfosfát 1,3-bisfosfoglycerát fosfoenolpyruvát, 4 1
ATP vysokoenergetické ( makroergní ) fosfáty jsou zásadní pro konzervaci energie fungují energetické platidlo buňky hl. zdroje ATP 1) oxidativní forsforylace (OXFOS) 2) glykolýza 3) citrátový cyklus v metabolismu dochází k rychlé a neustálé spotřebě a následné regeneraci ATP nicméně celk. zásoba ATP je velmi malá, v metabolicky aktivních tkáních stačí jen na několik sekund 5 6 Biologické oxidace chemicky: oxidace = ztráta elektronu redukce = získání elektronu oxidace substrátu je vždy provázena redukcí akceptoru elektronů může probíhat i bez přítomnosti kyslíku s kyslíkem = respirace = zisk energie ve formě ATP řízenou oxidací vodíku kyslíkem na vodu enzymy účastnící se oxidací jsou oxidoreduktázy oxidázy hydroxyperoxidázy oxygenázy dehydrogenázy vyžadují koenzymy (NAD +, NADP +, FAD) jako přenašeče vodíku celá řada metabolicky významných (substrátově specifických) enzymů glykolýzy, citrátového cyklu, OXFOS 7 Respirační řetězec a OXFOS mitochondrie = elektrárna buňky zpřístupňuje většinu energie uvolněné oxidací MK, AK a sacharidů (ve formě redukčních ekvivalentů, tj. -H nebo elektrony) dýchací řetězec systém katalyzátorů přenášejících redukční ekvivalenty ke koncové reakci s kyslíkem za vzniku vody funguje jako protonová pumpa vodíkové ionty jsou pumpovány vně vnitřní mitoch. membrány vzniklý potenciál využívá ATP- syntáza oxidativní fosforylace spřažení oxidace s produkcí vysokoenergetického fosfátu (ATP) rychlost OXFOS je regulována dostupností ADP odpovídá tedy metabolickým potřebám a neplýtvá se efektivita je velká uvolní cca 68% veškeré energie obsažené v substrátech zbytek se uvolní jako teplo 8 2
Intermediární metabolismus OUT IN NADH e - e - e - H +`H + NAD + Krebs Cycle Fe 2+ Q e - e - e - Cyt C e - e - Cyt C e - e - + H + + H + H H + + + H 2OH + H + O2 H + H H2 + O O2 O2 ADP ATP. OH OȮ -. - MnSOD GPx H 2O 2 Cat H2O + O2 zahrnuje osud součástí potravy po jejím natrávení a resorpci jednotlivé metabolické dráhy jejich vzájemné vztahy mechanizmy regulující průtok metabolitů drahami metabolické dráhy anabolické např. syntéza bílkovin katabolické např. glykolýza, ox. fosforylace amfibolické ( spojky ) např. citrátový cyklus 9 Animated by Peter Rabinovitch Background after Mandavilli et al, Mutation Research 509 (2002) 127 151 10 Intermediární metabolismus (IM) znalost intermediárního metabolismu je důležitá pro pochopení normálních metabolických situací fyzická námaha, hladovění, těhotenství, laktace patologického metabolizmu porucha výživy enzymový defekt abnormální sekrece hormonů základní makronutrienty potravy (tj. sacharidy, tuky a bílkoviny) jsou po trávení (tj. ve formě glukózy, mastných kyselin, glycerolu a aminokyselin) zpracovány v zákl. metabolických drahách na společný metabolický produkt acetyl-coa a ten pak zoxidován v citrátovém cyklu IM glukóza/glykogen ústředním smyslem IM sacharidů je zajistit kontinuální přísun glukózy mnoha tkáním naprosto všechny bb. mohou využívat glukózu (i anaerobně) některé pouze ji (mozek, erytrocyty) zachovat celistvost citrátového cyklu (viz dále), zejm. konc. oxalacetátu glukóza je získávána ze sacharidů potravy a v době hladovění játry glykogenolýzou glukoneogenezí laktát,pyruvát, glycerol, alanin v době sytosti se glukóza bezprostředně využívá v glykolýze (různou měrou v různých tkáních) jsou doplněny zásoby glykogenu v játrech a svalech svaly odberou cca 50-70% veškeré požité glukózy přebytek uložen jako tuk 11 12 3
IM tuky/mastné kyseliny 13 adipocyty a játra mohou reesterifikovat MK (s glycerolem) na TAG, v obou tkáních je rovněž možná syntéza MK z glukózy tkáně s výjimkou mozku mohou utilizovat MK fatty acyl-coa je transportován do mitochondrií pomocí karnitin/palmitoyltra nsferázy v játrech jsou částečně oxidované MK metabolizovány na ketolátky IM aminokyseliny/bílkoviny 14 denní obrat proteinů daleko převyšuje jejich příjem uvolněné AK jsou znovu využity k syntéze proteinů k produkci glukózy či k úplné oxidaci Citrátový (Krebsův, TCA) cyklus 15 Citrátový cyklus 16 TCAc je amfibolický konečná společná metabolická dráha oxidace sacharidů, MK a AK metabolizovány na acetyl-coa nebo meziprodukty cyklu TCAc je série reakcí v matrix mitochondrií, kterými se uskutečňuje katabolismus acetylových zbytků a uvolňují redukční ekvivalenty jako substráty pro dýchací řetězec 3 NADH a 1 FADH 2 rovněž důležitý jako východisko glukoneogenze, transaminace a desaminace AK a syntézy MK hl. regulačním faktorem TCAc je zřejmě koncentrace oxalacetátu dokladem nepostradatelnosti plné funkce TCA cyklu je fakt, že se v populaci nevyskytují onemocnění v důsledku enzymových poruch TCAc evidentně nejsou slučitelné se životem pro správnou funkci TCAc jsou důležité vitaminy sk. B jako kofaktory enzymů riboflavin (jako flavinadenindinukleotid, FAD) niacin (jako nikotinamidadenindinukleotid, NAD) thiamin panthotenová kyselina (souč. CoA) 4
17 18 Citrátový cyklus - poznámky TCAc a glukoneogeneze všechny součásti cyklu od citrátu po oxalacetát jsou potenciálně glukogenní, protože mohou vést k produkci glukózy v játrech a ledvinách ale pouze cestou dekarboxylace oxalacetátu TCAc se účastní syntézy MK MK se tvoří z acetyl-coa pyruvátdehydrogenáza je mitochondriální enzym, zbytek enzymů syntézy MK v cytoplazmě nutný transport do cytoplazmy mitoch. membrána neprostupná pro acetyl- CoA, proto přeměna na citrát (násl. štěpen v cytoplazmě zpět na acetyl- CoA) tedy opět nutný oxalacetát a tedy sacharidy tuky hoří v ohni sacharidů Kompartmentalizace IM na subcelulární úrovni ke IM lokalizován ve 3 kompartmentech: cytosolu glykolýza pentózový cyklus syntéza MK částečně glukoneogeneze mitochondriích matrix - citrátový cyklus, β-oxidace MK, ketogeneze, částečně glukoneogeneze membrána - dýchací řetězec a OXFOS endoplazmatickém retikulu ribozomy bílkoviny z AK 19 membrána TAG z glycerolfosfátu a MK IM na úrovni organizmu integrujícím prvkem je krevní cirkulace ve vodě rozpustné látky jdou cestou portální žíly do jater glykogeneze / glykogenolýza lipogeneze glukoneogeneze ketogeneze syntéza bílkovin desaminace AK 20 5
IM na úrovni organizmu TAG z potravy chylomikrony v cirkulaci lipoproteinová lipáza (LPL) perif. tkání zásoby v tuk. tkáni jako TAG lipolýzou prostřednictvím hormnon-senzitivní lipázy (HSL) uvolňovány MK k využití v periferii lipogeneze (TAG) v játrech z přebytku sacharidů a MK VLDL v cirkulaci část přebytku MK zpracováno v ketogenezi na ketolátky 21 IM na úrovni organizmu přednostní využití MK a ketolátek některými tkáněmi (po oxidaci na acetyl-coa), zejm. kosterní svaly a myokard, šetří glukózu pro mozek acetyl-coa blokuje pyruvátdehydrogenázu a tím aktivitu glykolýzy ušetřená glukóza (prostřednictvím inzulinu) naopak blokuje nadměrnou lipolýzu a mobilizaci MK v tukové tkáni = cyklus glukózy a mastných kyselin (Randlův cyklus) 22 Regulace IM v každé metabolické dráze jsou rychlost-limitující regulační enzymy faktory ovlivňující rychlost enzymově katalyzovaných reakcí fyzikálně-chemické teplota, ph koncentrace substrátu (allosterická inhibice, aktivace) hormonální kovalentní modifikace enzymu (de)fosforylací» camp-dependentní proteinkinázy, fosfatázy»amp-kináza»ca 2+ /kalmodulin dependentní proteinkinázy 23 syntéza hormonu de novo Normální metabolizmus - homeostáza energie energetické nároky jsou určeny velikostí a složením těla (lean body mass) věkem pohlavím úrovní fyzické aktivity klidové energetické nároky ( bazální metabolismus ) představují cca 50-70% veškerých nároků, variabilní zbytek připadá na fyzickou aktivitu a termogenezi energie je uvolněna oxidací sacharidů, tuků a AK při pozitivní bilanci jsou přebytky uloženy jako zásoby formou glykogenu, tuku proteiny představují rovněž jistou energetickou rezervu, avšak mobilizace >40% je fatální 24 6
Vzájemná přeměna živin ne všechny živiny jsou navzájem přeměnitelné přeměna sacharidů na tuk je snadná (pyruvát acetyl-coa MK), avšak obrácená reakce je nemožná pouze MK s lichým počtem C jsou glukogenní (přes propionyl-coa) a glycerol (přes triosafosfáty) rovněž není možná kompletní konverze MK na AK 25 7